DES加密算法的实现

常州工学院计算机信息工程学院《数据结构》课程设计报告题目DES加密算法的实现班级 14软一学号姓名王磊（组长）学号姓名王凯旋学号姓名陶伟2016年01 月06日一，实验名称：DES加密算法的实现二，实验内容：a)熟悉DES算法的基本原理；b)依据所算则的算法，编程实现该该算法；c)执行程序并分析结果；三，实验原理1，概述DES是一种分组加密算法，他以64位为分组对数据加密。

64位一组的明文从算法的一端输入，64位的密文从另一端输出。

DES是一个对称算法：加密和解密用的是同一个算法（除密钥编排不同以外）。

密钥的长度为56位(密钥通常表示为64位的数，但每个第8位都用作奇偶检验，可以忽略)。

密钥可以是任意的56位数，且可以在任意的时候改变。

DES算法的入口参数有3个：Key，Data，Mode。

其中Key为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；Data也为8个字节64位，是要被加密或解密的数据：Mode为DES的工作方式，有两种：加密或解密。

DES算法的工作过程：若Mode为加密，则用Key对数据Data进行加密，生成Data的密码形式（64位）作为DES的输出结果；若Mode 为解密，则用Key对密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式（64位）作为DES的输出结果。

2，DES算法详述DES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块，他所使用的密钥也是64位，DES对64 位的明文分组进行操作。

通过一个初始置换，将明文分组分成左半部分和右半部分，各32位长。

然后进行16轮相同的运算，这些相同的运算被称为函数f，在运算过程中数据和密钥相结合。

经过16轮运算后左、右部分在一起经过一个置换（初始置换的逆置换），这样算法就完成了。

（1）初始置换其功能是把输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0，R0两部分，每部分各长32位，即将输入的第58位换到第1位，第50位换到第2位，…，依次类推，最后一位是原来的第7位，L0，R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左32位，R0是右32位。

（2）逆置换经过16次迭代运算后，得到L16，R16，将此作为输入进行逆置换，即得到密文输出。

逆置换正好是初始置换的逆运算。

例如，第1位经过初始置换后，处于第40位，而通过逆置换，又将第40位换回到第1位。

（3）函数f(Ri,Ki)的计算“扩展置换”是将32位放大成48位，“P盒置换”是32位到32位换位，在（Ri,Ki）算法描述图中，选择函数功能是把6 b数据变为4 b数据。

(4)子密钥Ki(48 b)的生成算法开始，由于不考虑每个字节的第8位，DES的密钥从64位变为48位，如表6所示，首先56位密钥被分成两个部分，每部分28位，然后根据轮数，两部分分别循环左移l或2位。

DES算法规定，其中第8，16，…，64位是奇偶校验位，不参与DES 运算。

故Key实际可用位数只有56位。

即：经过密钥置换表的变换后，Key的位数由64位变成了56位，此56位分为C 0，D0两部分，各28位，然后分别进行第一次循环左移，得到C1，D1，将C1(28位)，D1(28位 )合并得到56位，再经过压缩置换，从而便得到了密钥K0(48位)。

依次类推，便可得到K1，K 2，…，K15。

需要注意的是，16次循环左移对应的左移位数要依据表7所示的规则进行。

以上介绍了DES算法的加密过程。

DES算法的解密过程是一样的，区别仅在于第一次迭代时用子密钥K15，第二次是K14，…，最后一次用K0，算法本身并没有任何变化。

四，实验步骤：a)选择并熟悉一种密码算法。

b)编写概要设计，详细设计报告c)使用visual c++工具，编码.d)调试及测试五，主要程序#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>void show1() //主界面{printf("\n\n\n\t\t*************** DES加密解密系统******************\n\n");printf("\t\t--------------------------------------------------\n");//printf("\t\t--------------------------------------------------\n");printf("\t\t**************************************************\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t1.加密\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t2.解密\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t3.退出\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t--------------------------------------------------\n");}void show2()//加密界面{printf("\n\n\n\t\t****************** DES加密**********************\n\n");printf("\t\t--------------------------------------------------\n");printf("\t\t**************************************************\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t请选择明文和密钥的输入方式:\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t1.直接输入\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t2.从文件读取\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t3.退出\t\t\t\t**\n");printf("\t\t**\t\t\t\t\t\t**\n");printf("\t\t--------------------------------------------------\n");printf("\t\t\t选择:");}void reader(char str[30],char s[8]) //读取明文和密钥{FILE *fp;fp=fopen(str,"r");if(fp==NULL){printf("明文读取失败!\n");}else{fscanf(fp,"%s",s);}fclose(fp);}void To2Bin(char p[8],int b[64]) //将字节转换成二进制流{int i,k=0;for(i=0;i<8;i++){int j=0x80;for(;j;j>>=1){if(j&p[i]){b[k++]=1;}else{b[k++]=0;}}}}int IP_Table[64] = //初始置换(IP){57, 49, 41, 33, 25, 17, 9, 1,59, 51, 43, 35, 27, 19, 11, 3,61, 53, 45, 37, 29, 21, 13, 5,63, 55, 47, 39, 31, 23, 15, 7,56, 48, 40, 32, 24, 16, 8, 0,58, 50, 42, 34, 26, 18, 10, 2,60, 52, 44, 36, 28, 20, 12, 4,62, 54, 46, 38, 30, 22, 14, 6};int E_Table[] = {//扩展变换E31, 0, 1, 2, 3, 4,3, 4, 5, 6, 7, 8,7, 8, 9, 10, 11, 12,11, 12, 13, 14, 15, 16,15, 16, 17, 18, 19, 20,19, 20, 21, 22, 23, 24,23, 24, 25, 26, 27, 28,27, 28, 29, 30, 31, 0};int S_Box[8][4][16] = {//8个s盒{{14, 4,13, 1, 2,15,11, 8, 3,10, 6,12, 5, 9, 0, 7},{ 0,15, 7, 4,14, 2,13, 1,10, 6,12,11, 9, 5, 3, 8},{ 4, 1,14, 8,13, 6, 2,11,15,12, 9, 7, 3,10, 5, 0},{15,12, 8, 2, 4, 9, 1, 7, 5,11, 3,14,10, 0, 6,13}},{{15, 1, 8,14, 6,11, 3, 4, 9, 7, 2,13,12, 0, 5,10},{ 3,13, 4, 7,15, 2, 8,14,12, 0, 1,10, 6, 9,11, 5},{ 0,14, 7,11,10, 4,13, 1, 5, 8,12, 6, 9, 3, 2,15},{13, 8,10, 1, 3,15, 4, 2,11, 6, 7,12, 0, 5,14, 9}},{{10, 0, 9,14, 6, 3,15, 5, 1,13,12, 7,11, 4, 2, 8},{13, 7, 0, 9, 3, 4, 6,10, 2, 8, 5,14,12,11,15, 1},{13, 6, 4, 9, 8,15, 3, 0,11, 1, 2,12, 5,10,14, 7},{ 1,10,13, 0, 6, 9, 8, 7, 4,15,14, 3,11, 5, 2,12}},{{ 7,13,14, 3, 0, 6, 9,10, 1, 2, 8, 5,11,12, 4,15},{13, 8,11, 5, 6,15, 0, 3, 4, 7, 2,12, 1,10,14, 9},{10, 6, 9, 0,12,11, 7,13,15, 1, 3,14, 5, 2, 8, 4},{ 3,15, 0, 6,10, 1,13, 8, 9, 4, 5,11,12, 7, 2,14}},{{ 2,12, 4, 1, 7,10,11, 6, 8, 5, 3,15,13, 0,14, 9},{14,11, 2,12, 4, 7,13, 1, 5, 0,15,10, 3, 9, 8, 6},{4, 2, 1, 11,10,13, 7, 8,15, 9,12, 5, 6, 3, 0,14},{11,8,12, 7, 1,14, 2,13, 6,15, 0, 9,10, 4, 5, 3}},{{12, 1,10,15, 9, 2, 6, 8, 0,13, 3, 4,14, 7, 5,11},{10,15, 4, 2, 7,12, 9, 5, 6, 1,13,14, 0,11, 3, 8},{ 9,14,15, 5, 2, 8,12, 3, 7, 0, 4,10, 1,13,11, 6},{ 4, 3, 2,12, 9, 5,15,10,11,14, 1, 7, 6, 0, 8,13}},{{ 4,11, 2,14,15, 0, 8,13, 3,12, 9, 7, 5,10, 6, 1},{13, 0,11, 7, 4, 9, 1,10,14, 3, 5,12, 2,15, 8, 6},{ 1, 4,11,13,12, 3, 7,14,10,15, 6, 8, 0, 5, 9, 2},{ 6,11,13, 8, 1, 4,10, 7, 9, 5, 0,15,14, 2, 3,12}},{{13, 2, 8, 4, 6,15,11, 1,10, 9, 3,14, 5, 0,12, 7},{ 1,15,13, 8,10, 3, 7, 4,12, 5, 6,11, 0,14, 9, 2},{ 7,11, 4, 1, 9,12,14, 2, 0, 6,10,13,15, 3, 5, 8},{ 2, 1,14, 7, 4,10, 8,13,15,12, 9, 0, 3, 5, 6,11}}};int IP_1_Table[64] =//逆初始置换IP^-1 {39, 7, 47, 15, 55, 23, 63, 31,38, 6, 46, 14, 54, 22, 62, 30,37, 5, 45, 13, 53, 21, 61, 29,36, 4, 44, 12, 52, 20, 60, 28,35, 3, 43, 11, 51, 19, 59, 27,34, 2, 42, 10, 50, 18, 58, 26,33, 1, 41, 9, 49, 17, 57, 25,32, 0, 40, 8, 48, 16, 56, 24};int P_Table[32] =//置换运算P{15,6,19,20,28,11,27,16,0,14,22,25,4,17,30,9,1,7,23,13,31,26,2,8,18,12,29,5,21,10,3,24};int PC_1[56] ={56,48,40,32,24,16,8, //密钥置换PC_10,57,49,41,33,25,17,9,1,58,50,42,34,26,18,10,2,59,51,43,35,62,54,46,38,30,22,14,6,61,53,45,37,29,21,13,5,60,52,44,36,28,20,12,4,27,19,11,3};int PC_2[48] =//密钥置换PC_2{13,16,10,23,0,4,2,27,14,5,20,9,22,18,11,3,25,7,15,6,26,19,12,1,40,51,30,36,46,54,29,39,50,44,32,47,43,48,38,55,33,52,45,41,49,35,28,31};void Replacement(int arry1[],int arry2[],int arry3[],int num)//置换函数(初始IP，逆初始IP，{int i,tmp;for(i=0;i<num;i++){tmp=arry2[i];arry3[i]=arry1[tmp];}}int move_times[16] = {1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1}; //对左移位的规定void lif_move(int arry1[],int arry2[],int n) //左移位实现函数{int i;for(i=0;i<28;i++){arry2[i]=arry1[(n+i)%28];}}int K[16][48];//存放16轮子密钥int c[64];//存放明文或密文int L[17][32],R[17][32]; //存放加密过程中左右部分void SubKey(int K0[64])//子密钥产生函数{int i;int K1[56],K2[56];int C[17][28],D[17][28];Replacement(K0,PC_1,K1,56);//密钥置换PC_1for(i=0;i<28;i++)//将PC_1输出的56比特分为左右两部分{C[0][i]=K1[i];D[0][i]=K1[i+28];}i=0;while(i<16){int j;lif_move(C[i],C[i+1],move_times[i]);lif_move(D[i],D[i+1],move_times[i]);for(j=0;j<28;j++){K2[j]=C[i+1][j];K2[j+28]=D[i+1][j];}Replacement(K2,PC_2,K[i],48);//密钥置换PC_2i++;}/*printf("\n子密钥生成过程中，左边生成的值:");for(i=0;i<17;i++){int j;printf("\nC[%d]:",i);for(j=0;j<28;j++){if(j%7==0){printf(" ");}printf("%d",C[i][j]);}}printf("\n子密钥生成过程中，右边生成的值:");for(i=0;i<17;i++){int j;printf("\nD[%d]:",i);for(j=0;j<28;j++){if(j%7==0){printf(" ");}printf("%d",D[i][j]);}}*/}void S_compress(int arry[],int shc[])//S盒压缩变换，其中数组shc存放经过s盒的结果{int h,l;//行，列int sha[8]; //存放经过s盒的十进制结果int i,j;int temp[4];for(i=0;i<8;i++) //s盒压缩变换{h=arry[(1+(i*6))-1]*2 + arry[(6+(i*6))-1];l =arry[(2+(i*6))-1]*8 + arry[(3+(i*6))-1]*4 + arry[(4+(i*6))-1]*2 + arry[(5+(i*6))-1];sha[i]=S_Box[i][h][l];}for(i=0;i<8;i++){for(j=3;j>=0;j--){temp[j]=sha[i]%2;sha[i]=sha[i]/2;}for(j=0;j<4;j++){shc[4*i+j]=temp[j];}}/*printf("\n第%d次s盒的输出:",m++);for(i=0;i<32;i++){if(i%8==0){printf(" ");}printf("%d",shc[i]);}*/}void To10(int a[], int b[],int n)//二进制转十进制{int i,j;int temp;int arry[16][4];for(i=0;i<n/4;i++){for(j=0;j<4;j++){arry[i][j]=a[4*i+j];}}for (i=0;i<n/4;i++){temp=arry[i][0]*8+arry[i][1]*4+arry[i][2]*2+arry[i][3]*1;/*for(j=3;j>=0;j--){if(arry[i][j]==1){t=1;for(k=0;k<3-j;k++){t=t*2;}temp+=t;}}*/b[i]=temp;}}void To102(int a[], int b[],int n)//二进制转十进制{int i,j;int temp;int arry[8][8];int t=1,k;for(i=0;i<n/8;i++){for(j=0;j<8;j++){arry[i][j]=a[8*i+j];}}for (i=0;i<n/8;i++){temp=0;for(j=7;j>=0;j--){if(arry[i][j]==1){t=1;for(k=0;k<7-j;k++){t=t*2;}temp+=t;}}b[i]=temp;}}void F_Function(int a[32],int b[32],int n)//F函数{int i;int tmp[48];int tep[32];Replacement(a,E_Table,tmp,48);//扩展变换E /*printf("\n第%d轮E盒扩展结果:",n);for(i=0;i<48;i++){if(i%8==0)printf(" ");printf("%d",tmp[i]);}*/for(i=0;i<48;i++)//与子密钥异或{tmp[i] ^= K[n][i];}/*printf("\n进入S盒的48比特:");for(i=0;i<48;i++){if(i%6==0){printf(" ");}printf("%d",tmp[i]);}*/S_compress(tmp,tep); //压缩变换SReplacement(tep,P_Table,b,32); //置换运算P/*printf("\n第%d次P置盒输出:",l++);for(i=0;i<32;i++){if(i%8==0)printf(" ");printf("%d",b[i]);}*//*printf("\nf[%d]的输出结果:",n);for(i=0;i<32;i++){if(i%8==0){printf(" ");}printf("%d",b[i]);}*/}void Encryption(int m0[64],int c1[64]){int i,k;int arry[32];int c0[64],m1[64];Replacement(m0,IP_Table,m1,64); //初始置换IP/*printf("\n初始置换:");for(i=0;i<64;i++){if(i%8==0)printf(" ");printf("%d",m1[i]);}*/for(i=0;i<32;i++){L[0][i]=m1[i];R[0][i]=m1[i+32];}k=1;while(k<17){F_Function(R[k-1],arry,k-1);for(i=0;i<32;i++){L[k][i]=R[k-1][i];R[k][i]=L[k-1][i]^arry[i];}k++;}for(i=0;i<32;i++){c0[i]=R[16][i];c0[i+32]=L[16][i];}Replacement(c0,IP_1_Table,c1,64); //逆初始置换}void changeKey(int a[16][48]){int i,j;int tmp[16][48];for(i=0;i<16;i++){for(j=0;j<48;j++){tmp[i][j]=a[i][j];}}for(i=0;i<16;i++){for(j=0;j<48;j++){K[i][j]=tmp[15-i][j];}}}void Decryption(int c1[],int m[]){int c0[64],t[64];int i,k;int arry[32];changeKey(K);/*printf("\n交换后的密钥:\n");for(i=0;i<16;i++){printf("\n");for(j=0;j<48;j++){if(j%8==0){printf(" ");}printf("%d",K[i][j]);}}*/Replacement(c1,IP_Table,c0,64);//初始IP for(i=0;i<32;i++){L[0][i]=c0[i];R[0][i]=c0[i+32];}k=1;while(k<17){F_Function(R[k-1],arry,k-1);for(i=0;i<32;i++){L[k][i]=R[k-1][i];R[k][i]=L[k-1][i]^arry[i];}k++;}for(i=0;i<32;i++){t[i]=R[16][i];t[i+32]=L[16][i];}Replacement(t,IP_1_Table,m,64); //逆初始置换}void print() //输出函数{int i;int a[12],b[12],d[3][16];int p[64],q[64];for(i=0;i<32;i++){p[i]=L[15][i];p[32+i]=R[15][i];q[i]=R[16][i];q[i+32]=L[16][i];}To10(K[14],a,48);To10(K[15],b,48);To10(c,d[0],64);To10(p,d[1],64);To10(q,d[2],64);printf("\n\t\t15轮密钥:");for(i=0;i<12;i++){printf("%x",a[i]);}printf("\t15轮结果:");for(i=0;i<16;i++){printf("%X",d[1][i]);}printf("\n\t\t16轮密钥:");for(i=0;i<12;i++){printf("%X",b[i]);}printf("\t16轮结果:");for(i=0;i<16;i++){printf("%X",d[2][i]);}printf("\n\t\t最后结果:");for(i=0;i<16;i++){printf("%X",d[0][i]);}/*printf("\n最后结果二进制:");for(i=0;i<64;i++){printf("%d",c[i]);}*/}int main(){int num,i,t;char s1[8],s2[8];int m[64]; //m存放二进制明文/密文int d[64]; //存放二进制密钥int s[8];show1();printf("\t\tinput you choice:");while(1){scanf("%d",&num);switch(num){case 1:system("cls");//调用清屏函数show2();{scanf("%d",&num);if(num==1){while(strlen(s1)!=8){printf("\t\t请输入明文(8):");scanf("%s",s1);}To2Bin(s1,m);//将明文转换成二进制流while(strlen(s2)!=8){printf("\t\t请输入密钥(8):");scanf("%s",s2);}To2Bin(s2,d);//将密钥转换成二进制/*printf("\n初始二进制明文:");for(i=0;i<64;i++){printf("%d",m[i]);}*//*printf("\n初始二进制密钥:");for(i=0;i<64;i++){printf("%d",d[i]);}*/SubKey(d);/*printf("\n16轮子密钥如下:");for(i=0;i<16;i++){printf("\nK[%d]:",i+1);for(j=0;j<48;j++){if(j%8==0)printf(" ");printf("%d",K[i][j]);}}*/Encryption(m,c);/*printf("\n16次迭代左结果:");for(i=0;i<17;i++){printf("\nL[%d]:",i);for(j=0;j<32;j++){if(j%8==0){printf(" ");}printf("%d",L[i][j]);}}printf("\n16次迭代右结果:");for(i=0;i<17;i++){printf("\nR[%d]:",i);for(j=0;j<32;j++){if(j%8==0){printf(" ");}printf("%d",R[i][j]);}}*/print();/*printf("\n二进制密文:");for(i=0;i<64;i++){printf("%d",c[i]);}*/printf("\n\t\t按0将此密文解密,1返回上一层,2返回主界面,其他键退出.....");scanf("%d",&t);if(t==0){int s[8];int a[64];Decryption(c,a);/*printf("\n解密后的二进制:");for(i=0;i<64;i++){printf("%d",a[i]);}*/To102(a,s,64);printf("\n\t\t解密结果:");for(i=0;i<8;i++){printf("%c",s[i]);printf("\n\t\t按1加密,2解密,3退出");}else if(t==1){system("cls");show2();}else if(t==2){system("cls");show1();}else{exit(0);}}else if(num==2){char str1[20],str2[20];printf("\t\t请输入明文文件名:");scanf("%s",str1);reader(str1,s1);To2Bin(s1,m);printf("\t\t请输入密钥文件名:");scanf("%s",str2);reader(str2,s2);To2Bin(s2,d);SubKey(d);Encryption(m,c);print();printf("\n\t\t按0将此密文解密,1将密文存入文件,2返回主界面,其他键退出.....");scanf("%d",&t);if(t==0){int a[64];Decryption(c,a);/*printf("\n解密后的二进制:");for(i=0;i<64;i++){printf("%d",a[i]);To102(a,s,64);printf("\n\t\t解密结果:");for(i=0;i<8;i++){printf("%c",s[i]);}printf("\n\t\t按1加密,2解密,3退出");}else if(t==1){int a[16];char str[30];FILE *fw;printf("\n\t\t请输入文件名:");scanf("%s",str);fw=fopen(str,"w");if(fw==NULL){printf("\n\t\t文件打开失败!\n");}else{To10(c,a,64);for(i=0;i<16;i++){fprintf(fw,"%X",a[i]);}}fclose(fw);printf("\n\t\t密文保存成功!按1加密,2解密,3退出");}else if(t==2){system("cls");show1();}else{exit(0);}}else if(num==3){system("cls");exit(0);}else{printf("\n\t\t输入不正确，请重新输入:");}}break;case 2:{system("cls");printf("\n\n\t\t------------------DES解密----------------");while(strlen(s1)!=8){printf("\n\n\n\t\t请输入密文(8):");scanf("%s",s1);}To2Bin(s1,m);while(strlen(s2)!=8){printf("\t\t请输入密钥(8):");scanf("%s",s2);}To2Bin(s2,d);SubKey(d);Decryption(m,c);print();printf("\n\t\t按1返回上一层,2返回主界面,其他键退出.....");scanf("%d",&t);if(t==1){system("cls");printf("\n\n\t\t---------------DES解密-------------");while(strlen(s1)!=8){printf("\n\n\t\t请输入密文(8):");scanf("%s",s1);}To2Bin(s1,m);while(strlen(s2)!=8){printf("\t\t请输入密钥(8):");scanf("%s",s);}To2Bin(s2,d);SubKey(d);Decryption(m,c);print();}else if(t==2){system("cls");show1();}else{exit(0);}}break;case 3:system("cls");exit(0);default:printf("输入不正确，请重新输入:");}}return 0;}说明：程序中有大部分的注释代码，去掉注释可查看各部分中间结果，如:十六轮子密钥，十六轮结果等。